多晶硅生产中精馏工艺优化研究.pdf

2024 年第 2 期117中国高新科技TECHNOLOGY EXPLORATION|科技探索多晶硅生产中精馏工艺优化研究刘建海新特能源股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 831100摘要：近年来，市场经济结构的调整对多晶硅生产行业带来了一定的挑战。面对更加激烈的竞争环境，企业为了提高市场生存能力并保持竞争力，必须降低成本、提高效率，改善产品生产质量。文章通过对多晶硅生产工艺中原料提纯合成、精馏工艺、反歧化工艺、精馏除杂工艺进行深入研究和优化，旨在提高多晶硅的生产质量，为市场提供高品质的多晶硅产品。关键词：多晶硅；精馏工艺；反歧化工艺；优化文献标识码：A中图分类号：TQ127文章编号：2096-4137（2024）02-117-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.02.35Optimization of distillation process in polycrystalline silicon productionLIU JianhaiXinte Energy Co.,Ltd.,Urumqi 831100,ChinaAbstract:In recent years,the adjustment of market economic structure has brought certain challenges to the polycrystalline silicon production industry.Facing a more competitive environment.In order to improve market viability and maintain competitiveness,enterprises must reduce costs,improve efficiency,and improve product production quality.This article conducts in-depth research and optimization on the purification and synthesis of raw materials,distillation process,reverse disproportionation process,and distillation impurity removal process in the production process of polycrystalline silicon,aiming to improve the production quality of polycrystalline silicon and provide high-quality polycrystalline silicon products for the market.Keywords:polycrystalline silicon;distillation process;anti disproportionation process;optimization多晶硅是一种重要的材料，其广泛应用于半导体行业和光伏产业。在多晶硅的生产过程中，精馏工艺水平对于产品的生产质量、生产成本和生产效率具有重要的影响。精馏工艺水平是衡量多晶硅生产质量的重要参考指标。优化精馏工艺可以有效去除杂质，提高多晶硅的纯度。高纯度的多晶硅在半导体制造和光伏电池生产中具有更好的性能和可靠性，能够提高产品的纯度和稳定性，满足不同行业对材料纯度的要求。因此，提升精馏工艺水平对于多晶硅生产具有重要意义。在实际生产中，应不断探索创新，采用先进的技术和设备，提高生产过程的自动化水平和智能化程度，以进一步提升多晶硅的生产质量、降低生产成本和提高生产效率。1精馏工艺改进技术1.1热泵精馏节能技术如图 1（a）所示，根据热力学第二定律，热量的自发传送是一个不可逆过程。根据该定律，热量总是自发地从高温物体传送到低温物体，而不会自发地从低温物体传送到高温物体。这是因为自然趋向于达到热平衡的状态，即使在物体间存在温度差异，热量仍会朝向温度较低的方向流动。然而，有时需要将热量从低温物体传送到高温物体，例如在冷冻室、空调系统或加热设备中。为了实现这一目标，需要进行一些额外的工作。根据热力学的原理，热量的自发传送不会发生，但可以利用外部能源来实现这种热量传送。机械功则是通过施加力或使用机械装置来进行的能量转换过程。当需要将热量从低温物体传送到高温物体时，可以使用机械功来驱动这个过程。通过外部能源的输入，机械装置可以将低温物体的热量“抽取”出来，并将其传递到高温物体中。热泵是一种常用的装置，可以实现这种热量传送过程。热泵通过提供机械功来实现从低温物体到高温物体的热量传递。它利用压缩和膨胀的过程来改变工质的状态，从而使得热量从低温区域吸收并释放到高温区域。（a）热泵压缩循环原理 （b）热泵压缩循环原理 图1热泵精馏流程原理如图 1（b）所示，热泵精馏是一种利用制冷循环装置原理的精细分离技术。它通过蒸汽压缩和机械功的作用，实现对塔顶蒸汽的提升，将低温位的塔顶蒸汽转化为高温位的热源，为塔底再沸器提供热量。在该过程中，关键的能量转移发生在换热过程中。在换热过程中，工质在吸收热量的同时发生蒸发，然后通过冷凝放热，以完成热量的传递。这个过程中潜热被回收并用于精馏过程本身，省去了冷凝器、冷却水和塔釜加热蒸汽的需要。这种能耗降低的方式使得热泵精馏成为一种高效节能的技术。热泵精馏利用制冷循环装置的原理，通过机械压缩将塔顶蒸汽的温度提高，将低温位的蒸汽转化为高温位的热源，供给塔底再沸器。通过换热过程中的工质吸热蒸发和放热冷凝，回收利用潜热，可以显著降低精馏过程的能耗。这种技术在能源节约和环境保护方面具有重要的应用前景。1.2多效精馏节能技术如图 2 所示，多效精馏是一种高效的分离工艺，通过使 2024 年第 2 期118中国高新科技科技探索|TECHNOLOGY EXPLORATION用多个塔来完成分离过程。塔的数量决定了多效精馏的效数，即分离的级数。在多效精馏过程中，塔的压力逐渐升高，以确保后面塔顶蒸汽的温度高于前一级塔的再沸器温度。这种逐级升压的方式可以保证蒸汽在塔内的正常流动，并有效实现分离效果。多效精馏的关键在于热量的耦合。只需对最后一级塔供热，利用该塔顶蒸汽的热量来加热前一级塔的再沸器，实现热量的传递和回收。因此，在整个多效精馏过程中，只需对第一级塔进行冷却操作，就可完成整个分离过程。相比于传统的单塔精馏，多效精馏具有较低的能耗。这是因为多效精馏过程所需的热量相当于单塔精馏所需热量的 1/N，其中 N 表示效数，也即塔的数量。多效精馏通过有效利用热量耦合，实现了能量的节约。然而，多效精馏技术受到最后一级塔的压力限制和设备投资的影响。在实际工业应用中，常见的多效精馏技术为双效或三效精馏。这是在综合考虑技术成熟度、经济性和设备投资等因素后的一种平衡选择。图2多效精馏技术根据最新的研究表明，多效精馏技术中的效数对于实现节能效果起着至关重要的作用。相较于传统的简单塔精馏技术，采用双效精馏技术可以实现约 50的节能效果提升。更进一步，三效精馏技术的应用可将节能效果提高至 67，而四效精馏技术更可达到惊人的 75节能效果。多效精馏效果可通过下式进行计算：=（N 1）/N100%式中，为节能效果，N 为多效精馏具体效数。2多晶硅生产精馏工艺优化策略2.1原料提纯工艺2.1.1粗馏系统传统合成工艺中的粗馏系统在生产过程中存在一个共同问题，即产生较多的金属杂质和非金属元素杂质。为解决这一问题并提高产品的纯度，可采取一系列优化策略。在粗馏系统中引入一个粗提纯的步骤。通过在第一个精馏塔中进行粗提纯，得到一个以四氯化硅和三氯氢硅为主要成分的混合物。该步骤的目的是将杂质与所需产品分离，从而减少金属杂质和非金属元素杂质的含量。需要调整第二个精馏塔的性能。传统粗馏系统中常使用的除重塔将被替换为除轻塔。这样的修改能够使得混合物在进一步提纯过程中更好地去除杂质。特别是针对金属杂质和非金属元素杂质，这一改变能够显著降低其含量占比，从而提高产品的纯度。通过这些优化策略，实现了对粗馏系统的有效提纯，从而使得到的三氯氢硅完全满足原料精馏系统的操作需求。虽然这种优化策略可能会导致金属杂质的含量占比增加，但总体而言，非金属元素杂质的含量占比将显著降低，这将为后续的生产工艺提供更好的基础，确保产品的质量和性能达到预期要求。2.1.2精馏系统经过对原料精馏系统的优化研究发现，通过对三级塔和四级塔的结构进行调整，并将传统的板式精馏塔改为填料塔，能够增加精馏塔的理论塔板数量，从而提高系统结构的反应频次，进而改善三氯氢硅的合成质量。为实现这一优化方案，技术人员在原有的反应设备基础上增加了换热器设备，并将其巧妙地安置在二级塔和四级塔中。这样，成功实现了三氯氢硅的双效精馏。通过实际测试发现，优化后的合成精馏系统的蒸汽消耗量相比传统工艺下降了 30%。这一改进有效提高了资源利用率，并显著降低了原料生产成本，上述的优化措施取得了显著效果。优化后的合成精馏系统不仅在精馏能力上有所提升，而且三氯氢硅的合成质量也得到了明显改善。此外，通过降低蒸汽消耗量，有效提高了资源利用率，从而减少了原料的生产成本。因此，通过将三级塔与四级塔结构进行优化，并引入填料塔、换热器设备，成功改善了合成精馏系统的性能。这一优化方案不仅提高了系统的分馏能力和合成质量，还有效降低了能源消耗和资源利用成本。这一成果对于合成精馏系统的工业应用具有重要意义，并有望在相关领域生产中进行广泛的应用和推广。2.2反歧化工艺反歧化法是一种常用于化学工业的重要技术，图 3 为反歧化法频繁使用的固定床工艺（a）和反应精馏工艺（b），旨在将化合物转化为更有价值的产物。在实际应用中，反歧化法普遍采用固定床工艺和反应精馏工艺，以提高反应的效率和产物的纯度。（1）固定床工艺是指将反应物通过固定的反应床层进行化学反应的过程。该工艺具有结构简单、操作稳定等优点，并适用于大规模生产。然而，化学反应通常受到化学平衡的限制，导致反应的转化率有限。为克服化学平衡的限制，反应精馏工艺被引入到反歧化法中。反应精馏塔的存在使得产物在反应过程中可以与副产物进行分离，从而推动反应进一步进行，提高了反应的转化率。此外，通过反应精馏工艺，可实现对反应的温度和压力的精确控制，进一步提高了反应的效率和产物的纯度。（2）反应精馏工艺的优势是能够充分利用反应的热量。在反应过程中释放的热能可以被用作蒸馏过程的驱动力，减2024 年第 2 期119中国高新科技TECHNOLOGY EXPLORATION|科技探索少外部能源的需求，从而降低生产成本。此外，由于反应精馏工艺将反应器和精馏塔集成在一起，减少了设备的数量和占地面积，减少了设备投资。基于以上优势，在现阶段的异构化连续生产（DCS）中，反应精馏工艺成为首选工艺。它不仅能够突破化学平衡的限制，提高转化率，还能够充分利用热能，降低成本，反应精馏工艺的集成设计也简化了生产过程，提高了生产效率。（a）固定床工艺 （b）反应精馏工艺流程图3反歧化法工艺2.3精馏除杂工艺2.3.1反应-精馏法反应-精馏法能够有效去除三氯氢硅中的杂质，特别是硼磷。该方法利用醚类化合物作为反应物与三氯氢硅中的杂质发生反应，并通过常规精馏方法对产物进行纯化。该研究的目的是解决三氯氢硅中存在的硼磷杂质问题。硼磷是一种常见的杂质，其存在会降低三氯氢硅的质量和纯度。因此，开发一种有效的方法去除硼磷，以得到高纯度的三氯氢硅，对于相关工业应用和研究具有重要意义。相关研究表明，醚类化合物可以与三氯氢硅中的杂质发生选择性反应。通过在反应中引入适量的醚类化合物，杂质与醚类化合物发生反应形成易于分离的产物。这种反应具有高度选择性，只与硼磷等特定杂质反应，而不与三氯氢硅本身发生反应，从而实现了有效去除杂质的目的。2.3.2吸附-精馏法在物料处理中，吸附和精馏是两种常用的方法。处理的次序可以根据需要选择先吸附处理再进行精馏，或者先精馏处理再进行吸附。吸附是利用吸附剂将目标物质吸附到其表面的过程，而精馏则是通过升华和冷凝的方式对混合物进行分离。目前已有学者采用三氯氢硅作为原料，并使用含氟盐吸附剂来去除硼磷杂质。在处理过程中，三氯氢硅通过与含氟盐吸附剂的相互作用，实现了杂质的去除。然后，经过常规精馏，进一步提高了物料的纯净度。另一方面，也有学者采用了不同的处理方法。首先将物料通入精馏塔中进行精馏处理，然后将精馏产品下料至树脂或活性炭吸附塔。通过这种方式，成功地将杂质去除，并且经过分析检测发现，得到的物料中含硼的质量分数可达到 ppb 级别。吸附和精馏是常用的物料处理方法，可以通过选择不同的处理次序和采用适当的吸附剂或树脂及活性炭吸附塔，有效去除杂质并提高物料的纯净度。传统的精馏除硼、磷工艺是一种利用物质沸点的差异来实现分离提纯的物理方法。然而，在实际运行中这种工艺存在一些问题。由于原料硅粉中硼、磷杂质的含量较高，粗品中的硼、磷质量分数可能超过 100ppb。即使经过低沸法除杂处理，成品中仍然含有超过 10ppb 的硼、磷，无法达到质量标准的要求。该工艺需要使用多种设备，并且操作过程容易受到人为因素的影响。这可能导致产品的品质不合格情况时有发生。设备的正常运行及操作人员的经验和技能都对产品的纯度和稳定性有重要影响。由于工艺复杂性和操作过程中的不确定性，使得工艺的效果难以稳定控制。3结语综上所述，优化精馏工艺不仅可以为企业带来经济效益，还能提升企业的市场生存能力。随着市场竞争的加剧，企业需要不断提高自身的技术水平和生产效率，以满足市场需求并获得更多的订单。通过优化精馏工艺，企业可以更好地控制生产过程中的各项参数，减少产品的不合格率，提高产品的一致性和可靠性，从而提升市场竞争力。此外，优化精馏工艺还可以改善多晶硅产品的生产质量。精馏过程可以有效去除多晶硅中的杂质和杂质组分，提高产品的纯度和均匀性。通过控制精馏过程中的温度、压力、流速等关键参数，多晶硅生产企业可以获得更高品质的产品，满足客户的需求，增强产品的市场竞争力。作者简介：刘建海（1985-）男，江苏沛县人，新特能源股份有限公司高级工程师，研究方向：新能源光伏领域、多晶硅的生产技术研发管理。参考文献1 陈亚丽.对多晶硅生产中精馏工艺优化研究 J.化工管理，2019（23）：179-180.2 占明明.多晶硅生产中精馏工艺优化 J.化工设计通讯，2018，44（10）：:75.3 胡小冬，贾曦，张东，等.多晶硅生产 SiHCl_3 精馏工艺改造 J.现代化工，2016，36（8）：174-177.4 张远弟，谢刚，侯彦青.氢化料精馏工艺的模拟研究 J.现代化工，2014，34（11）：144-147.5 张瑞.分隔壁精馏在氯硅烷提纯中的理论与应用研究 D.长沙：湖南大学，2014.6 蒯伟，郑斌，宋安宁，等.三氯氢硅提纯系统的废气废液再回收 J.精细与专用化学品，2012，20（8）：17-18.7 周齐领，张晓辉.电子级多晶硅生产中氯硅烷精馏工艺的设计和优化 J.化工设计，2010，20（3）：11-13，27，1.（责任编辑：周羿廷）